基于MATLAB的信號(hào)波形與頻譜分析

1、基于matlab的信號(hào)波形與頻譜分析摘 要本文利用matlab軟件進(jìn)行信號(hào)頻譜分析的設(shè)計(jì)，并通過(guò)gui界面(圖形用戶(hù)界面)實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜分析的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。用戶(hù)可與計(jì)算機(jī)交互式地進(jìn)行對(duì)象參數(shù)的設(shè)置、控制算法的選取、以及對(duì)離散信號(hào)與連續(xù)信號(hào)的動(dòng)態(tài)頻譜分析。并利用matlab內(nèi)嵌的simulink模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信號(hào)頻譜分析，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的不同要求。matlab的guide是專(zhuān)門(mén)用于圖形用戶(hù)界面（gui）程序設(shè)計(jì)的快速開(kāi)發(fā)環(huán)境，本文從介紹guide入手結(jié)合具體的軟件圖形界面實(shí)例，給出了利用guide制作圖形用戶(hù)界面的基本方法。通過(guò)本文的研究得出利用guide設(shè)計(jì)的仿真界面不僅可以對(duì)離散信號(hào)與連續(xù)信號(hào)的動(dòng)

2、態(tài)頻譜進(jìn)行相關(guān)分析，而且還可以對(duì)此問(wèn)題作進(jìn)一步的預(yù)測(cè)和分析?；趃uide技術(shù)制作的圖形用戶(hù)界面，具有友好性，開(kāi)放性，方便科研人員不斷地研究和擴(kuò)充。 關(guān)鍵詞頻譜分析；gui；simulink；matlababstractusing matlab software for signal spectrum analysis of the design, and through the gui interface (graphical user interface) signal spectrum analysis of the dynamic design. users can interacti

3、vely with the computer targeting parameters for the establishment, control algorithm selection, and the discrete signals and continuous signal analysis of the dynamic spectrum. matlab and simulink embedded module, the signal system to achieve spectral analysis, meet the needs of different users with

4、 different needs. matlab guide is devoted to the graphical user interface (gui) design procedures for the rapid development environment, this paper introduced guide start from the context of the specific examples of graphical interface software, guide is produced using a graphical user interface met

5、hods. through this paper, the study of the use of simulation guide interface design can not only right for discrete signal and the signal dynamic spectrum analysis, but also the issue for further analysis and forecasts. guide technology based on the production of graphical user interface is friendly

6、 and open, facilitate researchers continue to study and expanded. keywords spectrum analysis ；gui；simulink；matlab目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 matlab應(yīng)用軟件簡(jiǎn)介11.2課題研究的內(nèi)容21.2.1信號(hào)的頻譜分析21.2.2信號(hào)頻譜分析的原理31.2.3頻譜分析與顯示原理31.2.4對(duì)三階交調(diào)進(jìn)行模擬分析31.2.5偽彩色編碼的動(dòng)態(tài)頻譜圖顯示41.2.6寬帶頻譜圖與窄帶頻譜圖51.3 gui界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)51.4 simulink61.4.1 simuli

7、nk模型與文件71.4.2 simulink仿真原理7第2章matlab工具箱的概述及gui界面的簡(jiǎn)介82.1引言82.2句柄圖形及圖形用戶(hù)界面82.3 guide82.4編制回調(diào)程序102.5主界面102.6子界面112.7基于matlab信號(hào)處理工具箱的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與仿真112.8帶通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例12第3章 gui界面下噪聲信號(hào)的頻譜分析與實(shí)現(xiàn)143.1概述143.2 matlab信號(hào)處理工具箱介紹及功能143.2.1matlab工具箱介紹143.2.2工具箱功能153.3通風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)的采集方法173.4噪聲信號(hào)的頻譜分析183.5 gui界面下噪聲頻譜分析的實(shí)現(xiàn)19結(jié) 論22致 謝

8、23參考文獻(xiàn)24附錄a25附錄b27第1章 緒論1.1 matlab應(yīng)用軟件簡(jiǎn)介matlab是一種功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和工程仿真軟件，它的交互式集成界面能夠幫助用戶(hù)快速地完成數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、仿真建模、系統(tǒng)控制和優(yōu)化等功能。matlab將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用在科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作，而且利用 matlab 產(chǎn)品的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對(duì) matlab 的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對(duì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的同時(shí)，不斷完善 matlab 產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競(jìng)爭(zhēng)能力。matlab語(yǔ)言采用與數(shù)學(xué)表達(dá)式相同的

9、形式，不需要傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，因而不像其他高級(jí)語(yǔ)言那樣難于掌握。一般來(lái)說(shuō)，用戶(hù)可以在極短的時(shí)間內(nèi)掌握matlab解決簡(jiǎn)單的問(wèn)題，由于matlab的這些特點(diǎn)，它現(xiàn)在已經(jīng)成為科研工作和工作仿真的高級(jí)助手。matlab是mathworks公司開(kāi)發(fā)的，目前國(guó)際上最流行應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與共程計(jì)算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)字運(yùn)算、信號(hào)分析、航天工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像信號(hào)處理、財(cái)務(wù)分析、生物醫(yī)學(xué)工程、語(yǔ)言處理和雷達(dá)工程等各行各業(yè)，也是國(guó)內(nèi)外高校和研究部門(mén)進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。matlab6.5是它的最新版本，由于它具有強(qiáng)大的計(jì)算和繪圖功能，大量穩(wěn)定可靠的算法和簡(jiǎn)潔高校的編程語(yǔ)言，所以選

10、用matlab6.5環(huán)境中的gui介面、simulink仿真環(huán)境來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析 。本文將以美國(guó)metso automation max公司的新一代dcs產(chǎn)品max1000+plus為例討論如何利用matlab的仿真軟件包simulink中的s-function1和max1000+plus系統(tǒng)中讀寫(xiě)dpu參數(shù)的software backplane(軟件背板)2技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬dpu控制作用與matlab建立的仿真模型的連接，并用matlab6.5的gui介面來(lái)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)噪聲頻譜分析。1.2課題研究的內(nèi)容1.2.1信號(hào)的頻譜分析（1）連續(xù)周期信號(hào)已知一個(gè)連續(xù)周期信號(hào)，在滿(mǎn)足一定條件下，可以通過(guò)傅

11、立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)為一系列正弦信號(hào)的線(xiàn)性疊加。形狀不同的周期信號(hào)其區(qū)別在于它們各自不同基本頻率、不同諧波的幅度和相位的正弦信號(hào)組合而成。由此可見(jiàn)，如果能找到具有這三個(gè)特性的頻率函數(shù)，就能把該信號(hào)惟一地確定下來(lái)。從傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中可以觀(guān)察到，傅立葉系數(shù)就是這樣的頻率函數(shù)，并可按下式求得： (1.1)式中，t是周期信號(hào)的周期，是基本角頻率，k是離散變量表示諧波的次數(shù)?？梢?jiàn),是離散頻率的復(fù)函數(shù)，可表示為： (1.2)（2）連續(xù)非周期函數(shù) 對(duì)于連續(xù)非周期信號(hào)，也可通過(guò)連續(xù)時(shí)間傅立葉變換（ctft），從上式中求得一個(gè)頻率函數(shù)x（w），在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析，即 (1.3) （3）離散周期信號(hào) 對(duì)于離散周期信號(hào)

12、，從離散傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中可以求得傅立葉系數(shù)，如下式所示，即： (1.4) （4）離散非周期信號(hào)對(duì)于離散周期信號(hào)。如同連續(xù)非周期信，通過(guò)離散時(shí)間傅立葉變換（dtft）可求得非周期序列的頻譜密度函數(shù)，即： (1.5)1.2.2信號(hào)頻譜分析的原理 信號(hào)頻譜分析，就是應(yīng)用傅里葉分析的方法，求出與信號(hào)時(shí)域波形相對(duì)應(yīng)的頻率函數(shù)，從中找出描述該信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，以達(dá)到特征提取的目的，如頻帶寬度、幅度、相位以及能量、功率等隨頻率變化的分布規(guī)律3。1.2.3頻譜分析與顯示原理（1）離散信號(hào)的短時(shí)fft頻譜分析現(xiàn)代信號(hào)頻譜分析是基于離散時(shí)域的短時(shí)fourier分析。設(shè)離散時(shí)域采樣信號(hào)為x（n）=0,1,n

13、-1是時(shí)域采樣點(diǎn)序號(hào)，n是信號(hào)長(zhǎng)度。在數(shù)字信號(hào)處理中，用加窗方法將信號(hào)分段。此時(shí)表示成x(n),n=0,1,n-1，m是楨的序號(hào)，n是楨的同步的時(shí)間序號(hào)，n則是一楨內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)（楨長(zhǎng)）。信號(hào)的加窗離散時(shí)域fourier變換（dtft）為： （1.6）為了便于離散計(jì)算，采用的離散fourier變換（dft）： （1.7） x(m,k)|便是xm(n)的短時(shí)幅度譜估計(jì)。把m當(dāng)作時(shí)間變量，k當(dāng)作頻率變量，則|x(m,k)|就是信號(hào)x(n)的動(dòng)態(tài)頻譜。由20log10(|x(m,k)|)就是以db表示的動(dòng)態(tài)頻譜。為了高計(jì)算|x（m,k）|，可以運(yùn)用快速fourier變換算法，即fft算法。1.2.4對(duì)

14、三階交調(diào)進(jìn)行模擬分析1.輸入：三個(gè)正弦信號(hào)之和，要求三個(gè)信號(hào)之間的頻率相差不大。 2.過(guò)程：輸入信號(hào)通過(guò)非線(xiàn)性放大器，放大器的放大特性為a*x+b*x*x*x。 3.輸出：輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻譜4。fs=6400000; %采樣頻率64k t=0:(1/fs):(0.1-(1/fs); %時(shí)長(zhǎng)0.001秒 t_len=size(t,2); f1=1400; f2=1600; %雙音信號(hào)1k和1.6k f_len=linspace(-fs/2-fs/2/t_len,fs/2-fs/2/t_len,t_len); figure(1); a1=1.65; a3=-0.887; a5=0.16; s

15、=(sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t); a*x+b*x*x*xfftmov1=20*log10(abs(fft(ss); fftmov1=fftshift(fftmov1); plot(f_len,fftmov1); ylim(-100 120); xlim(0 5000); grid on; xlabel('頻率hz'); ylabel('幅度db'); title('輸出信號(hào)頻譜');1.2.5偽彩色編碼的動(dòng)態(tài)頻譜圖顯示在二維平面坐標(biāo)上，將m作為橫坐標(biāo)，k作為縱坐標(biāo)，把|x（m,k）|的值作為灰則得到x(n)的動(dòng)態(tài)頻

16、譜圖。對(duì)|x(m,k)|的值實(shí)施偽彩色映射，可得到偽彩色的動(dòng)態(tài)頻譜圖，以獲得更好的分辨率和視覺(jué)效果，并增強(qiáng)頻譜圖的可讀性性。把|x(m,k)|的最小值映射為歸一化的0電平，最大值映射歸一化的1電平，而將|x（m,k）|線(xiàn)性映射為01之間的電平值。再利用彩色映射，計(jì)算彩色監(jiān)視器把顯示出來(lái)，則獲得偽彩色顯示的動(dòng)態(tài)頻譜圖。為了充分利用彩色空間的范圍，選折適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)頻譜值base。小于base的頻譜值都被限定在基準(zhǔn)電平上，而大于base的譜值則被線(xiàn)性映射到由01的歸一化彩色值。以c=c(m,k)表示彩色值矩陣，由|x（m,k）|到c (m,k)的映射的數(shù)學(xué)表示如下： （1.8）其中 （1.9）1.2.

17、6寬帶頻譜圖與窄帶頻譜圖根據(jù)dft分析原理，頻譜的頻域分辨力是指離散的頻率的頻率間隔，也即x( )中相鄰的k值之間所代表的頻率間隔 。 的大小取決于楨長(zhǎng)n以及信號(hào)采樣頻率 。根據(jù)nyquist采樣定理， 和n之間的關(guān)系滿(mǎn)足 (1.10)這與信號(hào) 原來(lái)所包括的頻率成分無(wú)關(guān)。所以， 在不變的前提下，增加n將使頻譜圖的分辨率提高或相鄰k值之間所代表的頻帶寬度變小，這就使得頻譜趨向于窄帶頻譜，相反，則趨向于寬帶頻譜。為提高頻域分辨率而加大n值，會(huì)使頻譜在時(shí)域中是的分辨率降低。解決這個(gè)矛盾的途徑是，在取較大（合適）的真長(zhǎng)n的同時(shí)，采用信號(hào)分針針移小于真長(zhǎng)n的辦法，由此可得到頻域和時(shí)域分辨率都滿(mǎn)足需要的頻

18、譜。分真真移可表示為： n=0,n-1, <n (1.11) 1.3 gui界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與仿真軟件的界面。它共包含5個(gè)區(qū)域：(1)菜單區(qū)：位于整個(gè)界面的最上端。隱含了matlab自帶的所有基本菜單(將figure對(duì)象的“menubar”屬性設(shè)置為“none”)，添加了file、tool、system、最小拍、大林算法、simulink、help7個(gè)菜單。每個(gè)菜單下又有各級(jí)子菜單。其中兩項(xiàng)的具體內(nèi)容如圖1.1。 圖1.1菜單內(nèi)容(2)圖形區(qū)：用于顯示各計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真曲線(xiàn)，以及各系統(tǒng)的比較曲線(xiàn)。(3)對(duì)象模型區(qū)：動(dòng)態(tài)的顯示系統(tǒng)各相應(yīng)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型(傳遞函數(shù)或脈沖傳

19、遞函數(shù))。由4個(gè)單選按鈕(radiobutton)和4個(gè)編輯框(edit)組成。當(dāng)用戶(hù)的輸入?yún)?shù)發(fā)生變化時(shí),可通過(guò)單擊響應(yīng)的單選按鈕，實(shí)現(xiàn)顯示結(jié)果的實(shí)時(shí)刷新與顯示。(4)控制按鈕區(qū)：由4個(gè)按鈕組成(pushbutton)，實(shí)時(shí)的進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，輸出圖像智能切換，并具有曲線(xiàn)刷新等功能。在使用該軟件時(shí),第一步便是按下“參數(shù)輸入”按鈕，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置,否則將給出錯(cuò)信息。(5)圖形效果區(qū)：由一個(gè)滑動(dòng)條組成(slider)。用于控制輸出圖形的明暗程度。其實(shí)在該區(qū)域還可根據(jù)用戶(hù)要求加入其他圖形控件，如色彩選擇器、線(xiàn)形控制器等等，但就實(shí)現(xiàn)方式來(lái)講是完全一致的。故本窗口只設(shè)置了一個(gè)以示說(shuō)明。1.4 simu

20、linksimulink是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線(xiàn)性、非線(xiàn)性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。1.4.1 simulink模型與文件 在simulink模型窗口中可以使用“file”選單來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的文件 相應(yīng)的操做，同樣，也可以在matlab的命令窗口通過(guò)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。（1）創(chuàng)建新模型。new-systen命令用來(lái)在matlab的工作空間創(chuàng)建一個(gè)空白的simulink模型，但這個(gè)模型不能制動(dòng)顯示出來(lái)，稱(chēng)為邏輯模型，必須用open-systen命令來(lái)顯示。（2）打開(kāi)模型。open-systen命令用來(lái)打開(kāi)邏輯模型，在simul

21、ink模型窗口顯示該模型。（3）保存模型。save-systen命令用來(lái)保存模型為模型文件夾，擴(kuò)展名為.mdl。（4）關(guān)閉模型。如果要關(guān)閉一個(gè)打開(kāi)的simulink模型，則使用close-systen命令。simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀(guān)的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求

22、應(yīng)用于simulink。1.4.2 simulink仿真原理簡(jiǎn)單的：用simulink的工具箱做仿真。中級(jí)的：確定一個(gè)硬件芯片，然后再加外圍，然后仿真，適當(dāng)?shù)目紤]一些其他干擾、現(xiàn)場(chǎng)因素。復(fù)雜的：確定硬件芯片，加外圍，考慮現(xiàn)場(chǎng)、干擾、編碼等諸多因素，并將整個(gè)信號(hào)的傳輸過(guò)程都仿真出來(lái)，如采集端的dsp，信道里面的傳輸，接受的解碼編碼，最好是用一段具體的聲音來(lái)建模，并給出在頻域、時(shí)域的圖像6。如果在家一點(diǎn)兒信道服用以后的提高、優(yōu)化分析，如時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用等。第2章matlab工具箱的概述及gui界面的簡(jiǎn)介2.1引言matlab是由mathworks公司于1984年推出的數(shù)學(xué)軟件，早期以矩陣運(yùn)算為主

23、,但隨著科學(xué)可視化的需求日增，matlab在第4版推出了句柄圖形，自此之后，所有的demos都包含友好的圖形用戶(hù)界面，matlab的圖形界面設(shè)計(jì)功能也日益完善如今，matlab已成為集數(shù)值計(jì)算功能符號(hào)運(yùn)算功能和圖形處理功能為一身的超級(jí)科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言，滿(mǎn)足了不同領(lǐng)域用戶(hù)的需求。2.2句柄圖形及圖形用戶(hù)界面句柄圖形(handlegraphics)就是將一個(gè)圖形的每一個(gè)組件都視為一個(gè)對(duì)象(object)，每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的/句柄0(handle)，根據(jù)這個(gè)句柄,就可以找到這個(gè)對(duì)象(即圖形組件)的各項(xiàng)屬性，并進(jìn)而更改這些屬性，以產(chǎn)生不同的圖形呈現(xiàn)效果。句柄圖形屬性：children屬性、parent屬性、tag屬性、type屬性、userdata屬性、visible屬性、buttondownfcn屬性、createfcn屬性、deletefcn屬性。圖形用戶(hù)界面gui(graphicsuserinterface)是由各種圖形對(duì)